科学家们以空前的精确度测量了宇宙前五分钟产生的氦气量，这为揭示大爆炸后短时间内存在的条件提供了更清晰的图景。这一成就由一个包括明尼苏达大学双城分校科学家的国际研究团队完成，代表着精密宇宙学的重要进展。这些研究结果是在《天体物理学杂志》上发表的五篇论文中呈现的，基于使用大型双筒望远镜进行了130小时的观测。通过分析遥远的星系，研究人员将这一基本测量的不确定性降至仅0.5%，使其比之前的估算精确了三倍。这种改进的准确性为科学家提供了一种强大的新工具，用于研究宇宙的起源并测试物理学的标准模型。这种基本测试在推动科学理解和促进技术突破方面有着悠久的历史。明尼苏达大学科学与工程学院物理与天文学系杰出教授埃文·斯基尔曼（Evan Skillman）表示：“这是一个大规模的物理实验，也是我40年职业生涯中最大的发现之一。这是一个基本数字，它具体告诉我们宇宙在前五分钟内的条件。它具有直接与物理标准模型相关的诊断能力。” 根据大爆炸理论，宇宙于约138亿年前从一个异常热、密集的状态开始膨胀。三个主要的证据支持这一解释：宇宙的持续膨胀、宇宙微波背景辐射以及在其最早时刻形成的轻元素（如氦和氘）的数量。尽管宇宙膨胀和微波背景得到了广泛研究，但对原始氦的测量历史上受到的关注较少。更准确地确定其原始丰度允许研究人员调查宇宙在仅几分钟大时盛行的物理条件。为了实现新的测量精度，研究团队抛弃了传统的原始氦估计方法。这种方法涉及观察大量星系并推断结果，以确定在后来的恒星世代改变其化学成分之前存在多少氦。相反，研究人员选择了15个极其原始、小型、遥远的星系。这些星系经历了相对较少的化学演化，成为有价值的宇宙“时间胶囊”，保存了关于宇宙早期成分的线索。 团队使用在俄亥俄州立大学开发的精密光谱仪同时检查超过10条氦光谱线和15条氢光谱线。将这些信号一起研究使识别和纠正微小的测量误差成为可能，而早期研究通常较难发现。这些小效应在研究人员试图将不确定性降低到1%以下时变得尤为重要。考虑到这些因素对于实现新的0.5%精度至关重要。俄亥俄州立大学天文学系杰出教授理查德·波吉（Richard Pogge）表示：“MODS光谱仪从构思到首次在天空中观察花费了12年时间。这就是我们设计它们要做的项目，看到它们成功实现非常令人满意。并不是每一天都有机会帮助建造测量有关我们宇宙基础知识的仪器。” 除了精确地估算宇宙早期的化学成分之外，新的测量还为物理学标准模型提供了重要的测试。大爆炸后不久产生的氦量取决于当时的物理条件，包括存在的基本粒子类型。利用他们精确的氦测量，研究人员能够计算早期宇宙中中微子家族的数量。中微子是非常轻的亚原子粒子，它们的行为在科学家对基本物理的理解中发挥着重要作用。因此，结果不仅增强了对大爆炸的现有证据，也提供了一种更精确的方法来检查已建立的物理理论是否准确描述了宇宙在其最初几分钟的状态。“我们在提案中承诺了0.5%的不确定性，我们做到了，”斯基尔曼补充道。“在科学这个不可预测的领域，这种情况并不常见。”国际合作使来自明尼苏达大学双城分校、俄亥俄州立大学、贡扎加大学、西北大学、德克萨斯大学奥斯汀分校、印第安纳大学等的科学家们齐聚一堂。